Ni præcisionsstøbningsprocesser af zirkoniumkeramik

Ni præcisionsstøbningsprocesser af zirkoniumkeramik
Støbeprocessen spiller en sammenhængende rolle i hele fremstillingsprocessen af keramiske materialer og er nøglen til at sikre ydeevnepålidelighed og produktionsreproducerbarhed af keramiske materialer og komponenter.
Med samfundets udvikling kan den traditionelle håndæltemetode, hjulformningsmetoden, fugemetoden osv. for traditionel keramik ikke længere opfylde det moderne samfunds behov for produktion og forfining, så en ny støbeproces blev født. ZrO2 fine keramiske materialer anvendes i vid udstrækning i følgende 9 typer støbeprocesser (2 typer tørre metoder og 7 typer våde metoder):

1. Tørstøbning

1.1 Tørpresning

Tørpresning bruger tryk til at presse keramisk pulver til en bestemt form på legemet. Essensen er, at pulverpartiklerne under påvirkning af ydre kraft nærmer sig hinanden i formen og forbindes fast ved intern friktion for at opretholde en bestemt form. Den største mangel ved tørpressede grønne legemer er afskalling, som skyldes den indre friktion mellem pulverne og friktionen mellem pulverne og formvæggen, hvilket resulterer i tryktab inde i legemet.

Fordelene ved tørpresning er, at den grønne dels størrelse er præcis, operationen er enkel, og det er praktisk at udføre mekanisk drift; indholdet af fugt og bindemiddel i den grønne tørpresning er mindre, og krympningen under tørring og brænding er lille. Det bruges hovedsageligt til at danne produkter med enkle former og et lille aspektforhold. Ulempen ved tørpresning er de øgede produktionsomkostninger forårsaget af formslid.

1.2 Isostatisk presning

Isostatisk presning er en speciel formningsmetode udviklet på basis af traditionel tørpresning. Den bruger væsketransmissionstryk til at påføre tryk jævnt på pulveret inde i den elastiske form fra alle retninger. På grund af det ensartede indre tryk i væsken bærer pulveret det samme tryk i alle retninger, så forskellen i densiteten af det grønne legeme kan undgås.

Isostatisk presning er opdelt i isostatisk presning med vådposer og isostatisk presning med tørposer. Isostatisk presning med vådposer kan danne produkter med komplekse former, men den kan kun fungere intermitterende. Isostatisk presning med tørposer kan opnå automatisk kontinuerlig drift, men kan kun danne produkter med simple former såsom firkantede, runde og rørformede tværsnit. Isostatisk presning kan opnå et ensartet og tæt grønt legeme med lille brændesvind og ensartet krympning i alle retninger, men udstyret er komplekst og dyrt, og produktionseffektiviteten er ikke høj, og det er kun egnet til produktion af materialer med særlige krav.

2. Vådformning

2.1 Fugning
Fugeformningsprocessen ligner båndstøbning, forskellen er, at støbeprocessen inkluderer en fysisk dehydreringsproces og en kemisk koagulationsproces. Fysisk dehydrering fjerner vandet i opslæmningen gennem den porøse gipsforms kapillærvirkning. Ca2+, der genereres ved opløsning af CaSO4 på overfladen, øger opslæmningens ionstyrke, hvilket resulterer i flokkulering af opslæmningen.
Under påvirkning af fysisk dehydrering og kemisk koagulering aflejres de keramiske pulverpartikler på gipsformens væg. Fugning er egnet til fremstilling af store keramiske dele med komplekse former, men kvaliteten af det grønne legeme, inklusive form, densitet, styrke osv., er dårlig, arbejdernes arbejdsintensitet er høj, og det er ikke egnet til automatiserede operationer.

2.2 Varmstøbning
Varmstøbning er at blande keramisk pulver med bindemiddel (paraffin) ved en relativt høj temperatur (60~100℃) for at opnå en opslæmning til varmstøbning. Opslæmningen sprøjtes ind i metalformen under påvirkning af trykluft, og trykket opretholdes. Efter afkøling og udtagning af formen for at opnå et voksemne, afvokses voksemnet under beskyttelse af et inert pulver for at opnå et rålegeme, og rålegemet sintres ved høj temperatur for at blive til porcelæn.

Det grønne legeme, der dannes ved varmstøbning, har præcise dimensioner, ensartet indre struktur, mindre slid på formen og høj produktionseffektivitet og er egnet til forskellige råmaterialer. Temperaturen på voksopslæmningen og formen skal kontrolleres strengt, ellers vil det forårsage underindsprøjtning eller deformation, så det er ikke egnet til fremstilling af store dele, og totrinsbrændingsprocessen er kompliceret, og energiforbruget er højt.

2.3 Båndstøbning
Båndstøbning går ud på at blande keramisk pulver fuldstændigt med en stor mængde organiske bindemidler, blødgørere, dispergeringsmidler osv. for at opnå en flydende, viskøs opslæmning, hvorefter opslæmningen tilsættes støbemaskinens tragt og tykkelsen styres med en skraber. Opslæmningen strømmer ud på transportbåndet gennem tilførselsdysen, og efter tørring opnås et filmemne.

Denne proces er egnet til fremstilling af filmmaterialer. For at opnå bedre fleksibilitet tilsættes en stor mængde organisk materiale, og procesparametrene skal kontrolleres strengt, ellers vil det let forårsage defekter såsom afskalning, striber, lav filmstyrke eller vanskelig afskalning. Det anvendte organiske materiale er giftigt og vil forårsage miljøforurening, og et ikke-giftigt eller mindre giftigt system bør anvendes så meget som muligt for at reducere miljøforureningen.

2.4 Gel-sprøjtestøbning
Gel-sprøjtestøbningsteknologi er en ny kolloid rapid prototyping-proces, der først blev opfundet af forskere ved Oak Ridge National Laboratory i begyndelsen af 1990'erne. Kernen er brugen af organiske monomeropløsninger, der polymeriserer til højstyrke, lateralt forbundne polymer-opløsningsmiddelgeler.

En opslæmning af keramisk pulver opløst i en opløsning af organiske monomerer støbes i en form, og monomerblandingen polymeriserer for at danne en geleret del. Da den lateralt forbundne polymer-opløsningsmiddel kun indeholder 10%-20% (massefraktion) polymer, er det let at fjerne opløsningsmidlet fra geldelen ved et tørringstrin. Samtidig kan polymererne på grund af den laterale forbindelse mellem polymererne ikke migrere med opløsningsmidlet under tørringsprocessen.

Denne metode kan bruges til at fremstille enfasede og kompositkeramiske dele, der kan danne komplekse keramiske dele i kvasi-net-størrelse, og dens grønne styrke er så høj som 20-30 MPa eller mere, hvilket kan genbehandles. Hovedproblemet med denne metode er, at krympningshastigheden for embryolegemet er relativt høj under fortætningsprocessen, hvilket let fører til deformation af embryolegemet; nogle organiske monomerer har ilthæmning, hvilket får overfladen til at skalle af og falde af; på grund af den temperaturinducerede organiske monomerpolymerisationsproces fører temperaturbarbering til indre spændinger, hvilket får emnerne til at brydes og så videre.

2.5 Direkte størkningssprøjtestøbning
Direkte størkningssprøjtestøbning er en støbeteknologi udviklet af ETH Zürich: opløsningsmiddelvand, keramisk pulver og organiske tilsætningsstoffer blandes fuldstændigt for at danne elektrostatisk stabil, lavviskos opslæmning med højt faststofindhold, som kan ændres ved at tilsætte opslæmningens pH-værdi eller kemikalier, der øger elektrolytkoncentrationen, hvorefter opslæmningen sprøjtes ind i en ikke-porøs form.

Styr forløbet af kemiske reaktioner under processen. Reaktionen før sprøjtestøbning udføres langsomt, opslæmningens viskositet holdes lav, og reaktionen accelereres efter sprøjtestøbning, opslæmningen størkner, og den flydende opslæmning omdannes til et fast legeme. Det opnåede grønne legeme har gode mekaniske egenskaber, og styrken kan nå 5 kPa. Det grønne legeme afformes, tørres og sintres for at danne en keramisk del med den ønskede form.

Dens fordele er, at den ikke behøver eller kun behøver en lille mængde organiske tilsætningsstoffer (mindre end 1%), at det grønne legeme ikke behøver at blive affedtet, at det grønne legemes densitet er ensartet, at den relative densitet er høj (55%~70%), og at den kan danne store og komplekse keramiske dele. Dens ulempe er, at tilsætningsstofferne er dyre, og at der generelt frigives gas under reaktionen.

2.6 Sprøjtestøbning
Sprøjtestøbning har længe været anvendt til støbning af plastprodukter og metalforme. Denne proces anvender lavtemperaturhærdning af termoplastiske organiske materialer eller højtemperaturhærdning af termohærdende organiske materialer. Pulveret og den organiske bærer blandes i et specielt blandeudstyr og sprøjtes derefter ind i formen under højt tryk (tiere til hundreder af MPa). På grund af det store støbetryk har de opnåede emner præcise dimensioner, høj glathed og kompakt struktur; brugen af specielt støbeudstyr forbedrer produktionseffektiviteten betydeligt.

I slutningen af 1970'erne og begyndelsen af 1980'erne blev sprøjtestøbningsprocessen anvendt til støbning af keramiske dele. Denne proces realiserer plaststøbning af golde materialer ved at tilsætte en stor mængde organisk materiale, hvilket er en almindelig keramisk plaststøbningsproces. I sprøjtestøbningsteknologi er det, udover at bruge termoplastiske organiske stoffer (såsom polyethylen, polystyren), termohærdende organiske stoffer (såsom epoxyharpiks, phenolharpiks) eller vandopløselige polymerer som hovedbindemiddel, nødvendigt at tilsætte visse mængder proceshjælpemidler såsom blødgørere, smøremidler og koblingsmidler for at forbedre den keramiske sprøjtestøbningssuspensions flydeevne og sikre kvaliteten af det sprøjtestøbte legeme.

Sprøjtestøbningsprocessen har fordelene ved en høj grad af automatisering og præcis størrelse af støbeemnet. Det organiske indhold i det grønne legeme af sprøjtestøbte keramiske dele er dog så højt som 50 vol%. Det tager lang tid, endda flere dage til snesevis af dage, at eliminere disse organiske stoffer i den efterfølgende sintringsproces, og det er let at forårsage kvalitetsfejl.

2.7 Kolloid sprøjtestøbning
For at løse problemerne med den store mængde tilsat organisk materiale og vanskelighederne ved at eliminere vanskelighederne i den traditionelle sprøjtestøbningsproces, foreslog Tsinghua Universitet kreativt en ny proces til kolloid sprøjtestøbning af keramik og udviklede uafhængigt en kolloid sprøjtestøbningsprototype for at realisere dannelsen af ​​barren keramisk opslæmning.

Grundideen er at kombinere kolloidstøbning med sprøjtestøbning ved hjælp af proprietært sprøjtestøbningsudstyr og ny hærdningsteknologi, der leveres af den kolloidale in-situ-størkningsstøbningsproces. Denne nye proces bruger mindre end 4 vægt% organisk materiale. En lille mængde organiske monomerer eller organiske forbindelser i den vandbaserede suspension bruges til hurtigt at inducere polymerisationen af organiske monomerer efter injektion i formen for at danne et organisk netværksskelet, der jævnt omslutter det keramiske pulver. Blandt andet forkortes ikke kun afgummeringstiden betydeligt, men også risikoen for revnedannelse ved afgummering reduceres betydeligt.

Der er en enorm forskel mellem sprøjtestøbning af keramik og kolloid støbning. Hovedforskellen er, at førstnævnte tilhører kategorien plaststøbning, og sidstnævnte tilhører opslæmningsstøbning, det vil sige, at opslæmningen ikke har nogen plasticitet og er et ufrugtbart materiale. Da opslæmningen ikke har nogen plasticitet i kolloid støbning, kan den traditionelle idé om keramisk sprøjtestøbning ikke anvendes. Hvis kolloid støbning kombineres med sprøjtestøbning, realiseres kolloid sprøjtestøbning af keramiske materialer ved hjælp af proprietært sprøjtestøbningsudstyr og ny hærdningsteknologi leveret af kolloid in-situ støbeprocessen.

Den nye proces til kolloid sprøjtestøbning af keramik adskiller sig fra generel kolloid støbning og traditionel sprøjtestøbning. Fordelen ved en høj grad af støbeautomatisering er en kvalitativ sublimering af den kolloidale støbeproces, hvilket vil blive håbet for industrialiseringen af højteknologisk keramik.